Preview

Frontier Materials & Technologies

Расширенный поиск

Журнал Frontier Materials & Technologies является рецензируемым научным журналом и издается с 2008 года. До декабря 2021 года выходил под названием «Вектор науки Тольяттинского государственного университета» (Science Vector of Togliatti State University / Vektor nauki Tolyattinskogo gosudarstvennogo universiteta).

ISSN print: 2782-4039.

ISSN online: 2782-6074.

Периодичность выхода: 4 раза в год (31 марта, 30 июня, 30 сентября, 30 декабря).

Учредитель: ФГБОУ ВО "Тольяттинский государственный университет", Тольятти, Россия.

Издатель: ФГБОУ ВО "Тольяттинский государственный университет", Тольятти, Россия.

Свидетельство о регистрации СМИ: ПИ № ФС77-83040 от 31 марта 2022 г.

Подписной индекс: Е13088 (Объединенный каталог «Пресса России»).

Языки: русский, английский.

Журнал издается на средства издателя. Все публикации в журнале бесплатны. Метаданные выпусков журналов находятся в открытом доступе.

Журнал включен в Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук.

Журнал индексируется в МНБД Scopus (с 2021 года), крупнейшей китайской базе научных изданий CNKI (China National Knowledge Infrastructure).

Полное библиографическое описание всех статей представлено в Научной электронной библиотеке eLIBRARY.RU с целью формирования Российского индекса научного цитирования (РИНЦ).

Журнал входит в ядро РИНЦ.

Пятилетний импакт-фактор РИНЦ без самоцитирования за 2021 год – 0,150.

Журнал принимает к публикации оригинальные статьи по следующим научным специальностям.

Шифр

Группа специальностей, специальность (соответствующая ей отрасль науки)

2.5

Машиностроение и машиноведение

05.02.02

Машиноведение, системы приводов и детали машин (технические науки)

2.5.3

Трение и износ в машинах (технические науки)

2.5.4

Роботы, мехатроника и робототехнические системы (технические науки)

2.5.5

Технология и оборудование механической и физико-технической обработки (технические науки)

2.5.7

Технологии и машины обработки давлением (технические науки)

2.5.8

Сварка, родственные процессы и технологии (технические науки)

05.02.11

Методы контроля и диагностика в машиностроении (технические науки)

05.02.18

Теория механизмов и машин (технические науки)

2.6

Металлургия и материаловедение

2.6.1

Металловедение и термическая обработка металлов и сплавов (технические науки)

2.6.2

Металлургия черных, цветных и редких металлов (технические науки)

2.6.4

Обработка металлов давлением (технические науки)

2.6.6

Нанотехнологии и наноматериалы (физико-математические науки)

2.6.17

Материаловедение (технические науки)

 

Текущий выпуск

Опубликован 30.09.2022

№ 3-1 (2022)
15-22 81
Аннотация

В работе исследуется пучок ориентированных углеродных нанотрубок (УНТ) при поперечном сжатии в условиях плоской деформации в рамках молекулярно-динамической модели с уменьшенным числом степеней свободы. Модель учитывает растяжение и изгиб стенки УНТ, а также вандерваальсовы взаимодействия. Каждая УНТ представлена кольцом атомов, имеющим две степени свободы в плоскости кольца. Дискретный характер модели позволяет описать большую кривизну стенки УНТ и разрушение УНТ при очень высоком давлении. Получены равновесные структуры кристалла УНТ при двухосном нагружении, контролируемом деформацией. Отдельные УНТ достаточно большого диаметра имеют два равновесных состояния – с круглым и схлопнутым поперечным сечением. УНТ малого диаметра в свободном состоянии могут иметь только круговое поперечное сечение. Установлено наличие двух качественных структурных трансформаций, наблюдаемых при двухосном сжатии пучка УНТ. Первая трансформация, аналогичная фазовому переходу второго рода, приводит к эллиптизации поперечных сечений УНТ. В результате второй трансформации типа фазового перехода первого рода в пучке появляются схлопнутые УНТ, доля которых постепенно растет с увеличением деформации сжатия. Рассчитаны константы упругости пучка, такие как модули Юнга, модуль сдвига и коэффициенты Пуассона. Показано, что одна из равновесных структур (с эллиптическими поперечными сечениями УНТ) обладает свойством частичного ауксетика, то есть имеет отрицательный коэффициент Пуассона при одноосном нагружении в определенном направлении. Предлагаемая цепная модель может быть эффективно применена для анализа физических и механических свойств пучков одностенных или многостенных УНТ в условиях плоской деформации, а после простых модификаций может применяться также к аналогичным структурам, изготовленным из других двумерных наноматериалов.

23-32 82
Аннотация

Фазовые превращения играют важную роль в формировании свойств в дисперсионно-упрочняемых сплавах, таких, например, как сплавы системы Cu–Cr–Zr. Известно, что в условиях интенсивной пластической деформации диффузионные условия существенно меняются, что приводит к изменению кинетики фазовых превращений. В работе изучался сплав Cu–0,6Cr–0,1Zr в состоянии с низкой концентрацией твердого раствора, подверженный кручению под высоким давлением (КВД) (до 10 циклов). При этом за счет низкой концентрации твердого раствора и сформированного ансамбля крупных частиц на первых этапах исключался процесс распада твердого раствора. Предварительная работа по анализу таких структурно-чувствительных характеристик, как электропроводность и параметр решетки, позволила установить немонотонный характер изменения концентрации легирующих элементов в твердом растворе в процессе КВД. Немонотонность связана с существенными изменениями характеристик ансамбля частиц вторых фаз под влиянием высоких напряжений. Столь существенные структурные изменения находят свое отражение в характере изменения механических характеристик. Установлено, что изменения прочности с увеличением числа оборотов КВД имеют также немонотонный характер, который соответствует немонотонному характеру изменения концентрации легирующих элементов и электропроводности. Проведен анализ различных вкладов в упрочнение сплава Cu–0,6Cr–0,1Zr. Установлено, что основную роль в немонотонном изменении механических характеристик играет вклад дисперсионного упрочнения. Расчетные данные коррелируют с полученными экспериментальными результатами.

33-40 66
Аннотация

Большой интерес представляет установление особенности трансформации структуры и свойств объемных металлических стекол (ОМС) при воздействии интенсивной пластической деформации кручением (ИПДК). Известно, что при ИПДК степень деформации разнится от центра к краю диска, что приводит к неоднородности структуры получаемых образцов. Изменение величины микротвердости отражает направление изменения структуры ОМС при ИПДК, а распределение микротвердости – неоднородность ИПДК-образцов. Целью работы является установление влияния ИПДК на величину микротвердости и распределение микротвердости по поверхности образцов аморфных сплавов на примере ОМС Vit105 на основе циркония (Zr52,5Cu17,9Ni14,6Al10Ti5). Исследовано распределение микротвердости по поверхности ОМС Vit105 на основе циркония в исходном состоянии, в состоянии после ИПДК на n=1 и n=5 оборотов и после релаксирующего отжига. Показано, что исходные ОМС Vit105 характеризуются небольшим разбросом значений микротвердости, что свидетельствует о высокой однородности материала. Релаксирующий отжиг, снижая избыточный свободный объем, приводит к повышению микротвердости без значительного увеличения разброса ее значений. ИПДК приводит к снижению микротвердости циркониевого ОМС, что свидетельствует о росте избыточного свободного объема в результате деформации, но в то же время повышает неравномерность распределения микротвердости по образцу, при этом значения микротвердости в одной половине образца ИПДК (n=1) выше, чем в другой. Это показывает, что деформирование образца ОМС в процессе ИПДК обусловлено специфическими механизмами нагружения. 

41-49 48
Аннотация

Повышение сопротивления усталости имплантатов является важной научно-технической задачей. Одним из решений данной задачи является формирование высокопрочного состояния за счет ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры. Однако для высокопрочных сплавов характерна большая чувствительность к концентраторам напряжений и параметру шероховатости поверхности. В свою очередь, конструкции имплантатов, как правило, подразумевают наличие концентраторов в виде различных канавок, резьбовых элементов и т. д., а технология их изготовления подразумевает механическую обработку с неоднозначным влиянием на поверхность готового изделия. Вариантом решения обозначенной проблемы является применение дополнительной финишной обработки поверхности, например методом безабразивной ультразвуковой финишной обработки (БУФО). Целью настоящей работы является исследование влияния различных режимов БУФО на микротвердость и шероховатость цилиндрической заготовки из технически чистого титана марки Grade 4 в УМЗ состоянии. В ходе исследования проведена оценка влияния на параметры поверхности частоты вращения заготовки и статической силы прижатия инструмента к обрабатываемой заготовке. Проведены микроструктурные исследования полученных образцов. Результаты показали, что обработка титана в УМЗ состоянии методом БУФО приводит к значительному повышению микротвердости поверхности и снижению ее шероховатости. Так, в зависимости от режима прирост микротвердости может достигать от 2 до 3,5 раз. Было изучено влияние уровня мощности ультразвукового воздействия на шероховатость и микротвердость. Рассмотрены различные варианты предварительной обработки поверхности. Выявлено, что увеличение скорости вращения заготовки уменьшает шероховатость обработанной заготовки, а микротвердость при этом увеличивается.

50-60 64
Аннотация

Медь находит широкое применение при изготовлении токоведущих деталей, в основном электротехнических шин силового оборудования. Сварка меди традиционными способами осложняется высокой теплопроводностью, жидкотекучестью, значительным окислением при температуре плавления и склонностью к образованию трещин. Одним из путей решения проблем, возникающих при сварке меди, является применение способов сварки в твердой фазе, ярким представителем которых является сварка трением с перемешиванием (СТП). В работе проведены экспериментальные исследования влияния формы рабочей части инструмента и параметров режима сварки: скорости сварки, частоты вращения инструмента и угла наклона инструмента – на возможность возникновения дефектов в сварных соединениях пластин из меди марки М1 толщиной 5 мм, выполненных СТП. Приведены результаты механических испытаний на статическое растяжение и изгиб сварных соединений с туннельным дефектом и без него. Сварные соединения с туннельным дефектом показали снижение уровня механических свойств: величина временного сопротивления при растяжении ниже на 33 %, а относительного удлинения – на 8 %, чем у соединений без дефектов. Указан ряд факторов, влияющих на вероятность возникновения дефектов при СТП: скорость сварки, частота вращения инструмента, конструкция рабочей части инструмента, угол наклона инструмента, сила и глубина погружения, смещение пина, толщина заготовки и условия закрепления. Установлено, что применение инструмента с конической формой заплечика с вогнутой поверхностью позволяет получить сварные соединения без наружных и внутренних дефектов. На основании данных, полученных в ходе экспериментальных исследований, были определены режимы сварки, позволяющие получать сварные соединения с величиной электрического сопротивления на уровне основного металла: частота вращения инструмента – 1250 об/мин, скорость сварки – 25 мм/мин, глубина погружения инструмента – не менее 0,41 мм.

61-68 58
Аннотация

Электропластический эффект – это снижение сопротивления металлических кристаллов деформированию под влиянием импульсного электрического тока высокой плотности. Применение данного эффекта позволяет проводить деформационную обработку относительно хрупких металлов без резкого повышения температуры, что уменьшает вероятность негативного влияния температуры на материал. В статье рассматривается влияние электропластического эффекта на изменение деформирующего усилия и динамику дислокаций для двумерной модели монокристалла, взаимодействие атомов в которой основано на методе молекулярной динамики при использовании потенциала Морзе. Предложена модель, реализующая электропластический эффект посредством увеличения общей кинетической энергии системы не равномерно по всему объему кристалла, а в зависимости от потенциальной энергии атомов. Считается, что в результате прохождения импульса электрического тока возрастает кинетическая энергия атомов пропорционально кубу их потенциальной энергии. Более высокую потенциальную энергию имеют атомы вблизи дефектов, поэтому температура будет повышаться в области дефектов сильнее, увеличивая их подвижность. Проведено моделирование движения дислокаций под воздействием сдвигающих напряжений и температуры с учетом влияния импульсов электрического тока на систему. Описаны зависимости предела текучести от температуры без учета электропластического эффекта, а затем – с его учетом. Построены графики зависимости кинетической энергии системы от частоты и мощности импульсов тока. Показано, что электропластический эффект резко снижает предел текучести кристалла, тем самым увеличивая температуру в системе. Это связано с тем, что, помимо общего разогрева, система подвергается локальному нагреву атомов вблизи дефектов, что облегчает движение последних.

69-75 51
Аннотация

Изделия из бериллиевых бронз получили широкое распространение в промышленности благодаря уникальному комплексу свойств: высокой теплопроводности, прочности, твердости, износостойкости, коррозионной стойкости. Они не магнитные и не дают искры при ударе, поэтому незаменимы для изготовления искробезопасных инструментов. Сплавы данной системы применяются в электротехнической промышленности, следовательно, стоит уделять внимание повышению электропроводности материалов. Работа посвящена исследованию микроструктуры, микротвердости и электропроводности сплава Cu‒2 вес. % Be, подвергнутого интенсивной пластической деформации кручением (ИПДК). Проведены исследования микроструктуры и тонкой структуры сплава в различных состояниях. Показано, что ИПДК приводит к формированию ультрамелкозернистого наноструктурного (УМЗ НС) состояния со средним размером зерен/субзерен 22±1 нм. Дальнейшее старение образцов после ИПДК привело к незначительному увеличению размера зерен/субзерен до 31±1 нм. В обоих состояниях прослеживаются наноразмерные деформационные двойники. Проведены исследования зависимости микротвердости и электропроводности сплава после ИПДК от времени последующего старения. Установлено, что микротвердость возрастает с 122±3 HV в исходном состоянии до 525±8 HV после ИПДК и старения. Показано, что электропроводность значительно лучше восстанавливается после проведения старения УМЗ НС состояния по сравнению с исходным состоянием. Электропроводность УМЗ НС состояния возросла с 14,5±0,1 % IACS до значения 27,5±0,6 % IACS при условиях, аналогичных случаю старения исходного состояния. Таким образом, в результате данных обработок сплав Cu–2 вес. % Be характеризуется повышенными прочностными свойствами и электропроводностью. 

76-84 66
Аннотация

Вольфрам широко используется в качестве материала, способного выдержать условия работы в ядерных реакторах и других экстремальных условиях. Под воздействием облучения в металле образуются такие дефекты, как пары Френкеля, поры и дислокационные петли. Поэтому важными на сегодняшний день являются исследования, направленные на изучение взаимодействий этих дефектов друг с другом и влияния данных взаимодействий на механические свойства металла. В статье представлено теоретическое исследование, основанное на методе молекулярной динамики, целью которого является изучение механизма деформационного упрочнения вольфрама, связанного с взаимодействием дислокаций с порами. Решение данной задачи получено с использованием пакета LAMMPS. Интегрирование уравнений движений атомов проводится методом Верле четвертого порядка. Исследуемая модель представляет собой монокристалл ориентации [111], [-1-12], [1-10] вдоль основных координатных осей X, Y, Z соответственно, в котором рассматривается скольжение краевых дислокаций в основной системе скольжения металлов с объемно-центрированной кубической кристаллической решеткой и их взаимодействие с порами. Изучено влияние размера пор на величину сдвигающего напряжения: рост диаметра поры пропорционален росту напряжения. Рассчитаны зависимости сдвигающего напряжения от деформации сдвига в интервале температур 600–1400 K, причем изменение температуры не оказывает значительного влияния на величину напряжения. Показано, что дислокации перерезают поры, и при повторном взаимодействии с порой наблюдается меньшее значение пикового сдвигающего напряжения, чем при первом. Присутствие пор приводит к повышению напряжения течения, причем данный эффект становится более заметным с ростом диаметра пор. Для материала с порами диаметром 6 нм напряжение течения возросло в три раза по сравнению с материалом без пор. Описан механизм взаимодействия краевых дислокаций и пор под воздействием сдвигающего напряжения.

85-95 79
Аннотация

В настоящее время для повышения качества жизни широко используется дентальная имплантация, и обеспечение надежного функционирования и долговечности имплантируемых изделий представляет собой одну из важнейших задач современной стоматологии. Разработка новых биоматериалов с улучшенными свойствами, таких как наноструктурные материалы, расширяет возможности миниатюризации медицинских изделий для создания имплантатов нового поколения. При проектировании этих устройств большую роль играет компьютерное моделирование, позволяющее эффективно определять дизайн имплантата в зависимости от используемых материалов и условий эксплуатации. В настоящей работе представлены результаты моделирования методом конечных элементов для сравнительного анализа деформированного поведения имплантата в условиях циклической нагрузки. В качестве материала имплантата рассматривали крупнозернистый технически чистый титан и наноструктурный титан с улучшенными свойствами. Рассматривали различные компоновки имплантируемого устройства в соответствии с условиями проведения усталостных испытаний – с учетом и без учета влияния абатмента и реакции основания. Установлены характеристики имплантата, такие как усталостная долговечность и коэффициент запаса для конкретного типа компоновки и типа материала, а также распределение эквивалентных напряжений, в том числе с учетом знака. Показано, что наиболее реалистичные результаты достигаются при моделировании устройства в компоновке «абатмент – имплантат – база». Продемонстрировано, что прочностные характеристики, определяющие разрушение изделия, описываются максимальными главными напряжениями, а исследованная конфигурация имплантата обеспечивает его длительное надежное функционирование в случае изготовления исключительно из наноструктурного титана с повышенными свойствами.

96-105 54
Аннотация

Разработка и производство новых материалов на основе алюминия является актуальной задачей современной промышленности. В частности, требуются новые материалы для производства легких, прочных и термически стабильных проводов и кабелей для бытового использования, транспортной и энергетической сферы. В работе представлены результаты исследования микроструктуры и физико-механических свойств проволоки из сплавов Al–0,5Fe и Al–1,7Fe (масс. %), полученных непрерывным литьем в электромагнитный кристаллизатор (ЭМК). Проведен сравнительный анализ свойств исследованных сплавов с коммерческими сплавами. В ходе данного исследования проволоку диаметром 3 мм изготавливали из исходных литых заготовок методом холодного волочения (ХВ). Анализ микроструктуры показал, что в результате использования метода литья в ЭМК в процессе кристаллизации образуются частицы фазы Al2Fe метастабильной модификации, имеющие близкие к нанометрическому диапазону размеры. Использование ХВ привело к формированию в обоих сплавах субструктуры и дополнительному измельчению интерметаллидных частиц, что обеспечило значительное упрочнение образцов сплавов. После ХВ интерметаллидные частицы измельчаются и распределяются по границам зерен/субзерен. Предел прочности при растяжении проволоки из сплава Al–0,5Fe составил 204 МПа, а в сплаве Al–1,7Fe он достиг 295 МПа. Уровень электропроводности проволоки сплавов Al–0,5Fe и Al–1,7Fe составил 58,4 и 52,0 % IACS соответственно. Показано, что проволока из сплавов системы Al–Fe с концентрацией железа до 1,7 масс. % демонстрирует термическую стабильность на уровне термостойких проводниковых сплавов системы Al–Zr и Al–РЗМ.

106-114 94
Аннотация

Саморастворяющиеся имплантаты из магниевых сплавов, в отличие от традиционных имплантатов из титановых сплавов и нержавеющих сталей, обладают способностью полностью растворяться в теле человека, что позволяет обойтись без повторной операции по их извлечению. Вопрос о возможности использования магниевых имплантатов совместно с изделиями из титановых сплавов на данный момент остается в недостаточной мере изученным. В то же время широко известно, что элементы с более положительным электродным потенциалом, чем у магния, такие как титан и железо, пагубно влияют на коррозию магниевых сплавов, поскольку за счет гальванического эффекта растворение магния происходит существенно быстрее. Целью работы было установить, какое влияние на скорость коррозии образца из магниевого сплава ZX10 с ультрамелкозернистой структурой оказывает расстояние до титанового имплантата. Поскольку речь идет о медицинских приложениях, коррозионные испытания проводились в условиях, имитирующих условия внутри человеческого тела: циркуляция коррозионной среды и поддержание температуры 37±1 °C. В качестве коррозионной среды использовался физиологический раствор. Во время коррозионных испытаний титановый имплантат располагали в 3, 6 и 12 см от образца из магниевого сплава. Дополнительно были проведены испытания образцов контрольной группы без титанового имплантата. Согласно полученным данным при расстоянии между титаном и магнием в 3 см гальванический эффект ярко проявляется: увеличивается скорость коррозии и размер коррозионных повреждений, однако на расстоянии в 6 см титановый имплантат уже не оказывает видимого влияния на коррозию образца.



Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.